西安交大研发“超临界水蒸煤” “原创科技”有效促减霾

高含量煤在超临界水中气化制氢的实验研究李永亮;郭烈锦;张明颛;薛晓欧;曹长青;陈敬炜【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2008(042)007【摘要】针对当前煤在超临界水气化制氢研究中存在的物料质量分数低于5%、实验装置以高压釜居多且不能连续稳定产氢等问题,以高含量煤的气化制氢为研究目的,在反应器壁温650～800℃、反应压力23～27 MPa、物料流量3～7 kg/h 的条件下,利用连续管流式反应系统对高含量煤进行了超临界水气化制氢实验研究,考察了温度、压力、物料流量、催化剂及氧化剂和物料含量对气化效果的影响规律,成功地将质量分数为16%的煤输送进反应器并稳定产气,煤的气化率和氢气产率分别为0.317和0.022.【总页数】6页(P919-924)【作者】李永亮;郭烈锦;张明颛;薛晓欧;曹长青;陈敬炜【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TK91【相关文献】1.生物质与煤超临界水气化制氢的实验研究 [J], 闫秋会;郭烈锦2.农业生物质在超临界水中气化制氢的实验研究 [J], 吕友军;冀承猛;郭烈锦3.煤与生物质共超临界水催化气化制氢的实验研究 [J], 闫秋会;郭烈锦;梁兴;张西民4.煤在超临界水中气化制氢过程的热力学分析 [J], 刘韶浦;唐晓宁;张彬;谢刚5.有机废液在超临界水中气化制氢的实验研究 [J], 郭烈锦;张秦丽;冀承猛;杨鸿辉;吕友军;吴小敏;郭鑫因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

生物质超临界水气化制氢技术的研究进展引言生物质是一种可再生的资源，在其利用的过程中对大气环境的CO2净排放量为0。

在我国，每年大约产生6亿t农业废弃物（如秸秆、稻壳等）及大量的林业废弃物（木屑等），这些废弃物除部分被作为燃料、饲料、肥料以及工业原材料利用外，还有相当一部分没有得到有效利用。

由于化石能源逐步枯竭及其使用过程中的环境问题，生物质的合理利用引起了人们的广泛关注。

生物质的利用方式主要有气化、热解、液化、发酵以及厌氧消化等，生物质制氢可将大量低品质生物质能转化为清洁的高品质氢能。

超临界水气化（Supercriticalwatergaification，缩写为SCWG）是20世纪70年代中期由美国麻省理工学院(MIT)的Modell提出的新型制氢技术。

超临界水(SCW)是指温度和压力均高于其临界点(温度374.15℃，压力22.12MPa)的具有特殊性质的水。

SCWG是利用超临界水强大的溶解能力，将生物质中的各种有机物溶解，生成高密度、低黏度的液体，然后在高温、高压反应条件下快速气化，生成富含氢气的混合气体。

在超临界水中进行生物质的催化气化,生物质的气化率可达到100%，气体产物中H2的体积百分含量甚至可超过50%,反应不生成焦油、木炭等副产品,不会造成二次污染。

对于含水量高的湿生物质可直接气化,不需要高能耗的干燥过程。

目前国内外有关生物质的超临界水气化研究进行得比较少，主要是由于超临界水气化所需的反应温度和压力对设备和材质的要求较高。

但随着人们对超临界水独特的理化特性的逐步了解,生物质的可再生性、以氢为燃料的燃料电池的高效性等所带来的良好的经济前景和环保优势，使超临界水催化气化制氢技术正日益为人们所重视。

目前,在美国能源部氢能项目的资助下,美国GeneralAtomic公司正在努力将超临界水气化制氢技术推向中试及大规模工业化应用,早在2022年就建立一套工业化示范装置。

1生物质超临界水气化制氢的反应机理及特点1.1反应机理生物质超临界水气化制氢技术中，氢气的生成机理非常复杂，至今还不清楚。

煤炭超临界水气化制氢发电多联产技术
我国以煤为主的能源结构短期内不会改变，现有燃煤发电技术主要利用煤炭在空气中的燃烧放热，将煤炭化学能转化为热能加热水-蒸汽用于做功-发电；常规煤气化技术主要利用煤炭在空气中的部分氧化-气化反应制取合成气。

上述两类转化利用过程中煤的能量品质损耗大，且不可避免地生成大量SOx、NOx、固体颗粒物、重金属污染物及低浓度温室气体等，减排成本高，急需研发一种全新的煤炭清洁高效发电及转化利用技术，解决我国可持续发展面临的能源短缺和环境污染两个重大难题。

“煤炭超临界水气化制氢发电”的技术原理
图1超临界水煤气化制氢发电原理图
AA交通大学动力工程多相流国家重点实验室独创性地提出一种以水相环境煤气化为核心的新型煤制氢及发电理论与技术[1]，它利用水在超临界状态（温度和压力达到或超过临界点374.3℃/22.1MPa）下一系列独特的物理化学性质，将超临界水用作煤气化的均相、高速反应媒介，将煤中的氢、碳元素气化转化成为H2和CO2，并将部分水分解为氢气，从而实现煤的高效、洁净转化利用（图1）。

过程中煤里所含的N、S、金属元素及各种无机矿物质在反应器内净化沉积于底部以灰渣形式间隙排出反应器；已溶解有H2和CO2等气体的超临界混合工质离开气化反应器后可以供热、供蒸汽并分离得到高纯H2和CO2等产品，也可以将其中的H2等可燃气体燃烧放热后生成H2O和CO2超临界混合工质引入轮机直接做功带动发电机发电。

在获得清洁能源H2和电的同时，从源头上实现NOx、SOx的零排放和CO2的资源化利用，其发电和制氢效率远高于传统燃煤或煤气化技术，而一次投资和运行成本在大型化后也将低于传统技术。

‘超临界水蒸煤’概述及解释说明1. 引言1.1 概述在能源领域，煤炭被广泛使用并持续为人们的生活和工业发展提供着稳定可靠的能源来源。

然而，传统的燃煤过程中存在一系列环境和能源效率问题，如高排放量、低能源利用率等。

因此，如何提高煤炭利用效率、减少污染排放成为了当前工业界和学术界所面临的重要问题。

超临界水蒸煤技术作为一种创新性的解决方案逐渐引起了广泛关注。

这种技术是通过将水蒸气置于超临界状态下与煤直接接触反应，实现对煤中有机组分的高效提取和转化，同时具备清洁高效、资源可持续利用等特点。

1.2 文章结构本文旨在全面概述和解释超临界水蒸煤技术。

文章结构主要分为五个部分：引言部分将对文章整体进行概述；定义与特点部分将详细解释超临界水蒸煤技术及其相关特性；应用领域分析将介绍该技术在燃料化工领域和热能利用领域中的具体应用，并探讨其他领域中的潜在应用；技术发展现状与挑战分析将总结目前该技术的研究进展，并指出所面临的挑战和难题，同时提供相应的解决方案和前景展望；结论与未来展望部分将对全文进行总结概括，同时提出对超临界水蒸煤技术未来发展的建议。

1.3 目的本文旨在深入探索超临界水蒸煤技术，以促进对该技术的更全面理解。

通过对其定义、特点以及应用领域进行分析，可以为相关工业发展和政策制定提供科学依据。

此外，对超临界水蒸煤技术当前发展情况及面临挑战的综合分析，有助于优化解决方案并为未来该技术的进一步发展提供建议。

这是引言部分，请您查看是否满意。

2. 超临界水蒸煤的定义与特点2.1 超临界条件下的水蒸气超临界条件是指物质在高于其临界温度和临界压力的情况下存在的状态。

对于水蒸气来说，超临界条件就是指高于374摄氏度和22.1 MPa（兆帕）的温度和压力。

在这种条件下，水不再以液态或气态的形式存在，而是处于介于两者之间的状态。

2.2 超临界水蒸煤的概念及意义超临界水蒸煤是指将煤在高温高压的超临界水环境中进行氧化反应，产生合成气和其他有用化学品。

西安交通大学科技成果——蚀刻废液超临界水热合成制备纳米铜技术项目简介近年来我国电子工业迅速发展，作为电子工业的基础，印制电路板（简称PCB）产业以每年14.4%的速度持续增长，2006年中国已经取代日本，成为全球产值最大的印制电路板生产基地。

我国的印制电路板产业年产值达到290亿美元，主要分布在“长三角”和“珠三角”地区。

在PCB生产过程中会产生大量含有高浓度铜的蚀刻废液。

这些蚀刻废液中的主要成份是铜盐，也包含其它无机物，如氨、盐酸、双氧水、硫酸等，这些成分组成在一起，污染指数极高，属于危险性液体废物。

同时蚀刻废液中存在的铜离子浓度超标几百万倍，资源回收的潜力巨大。

目前我国平均日产蚀刻废液超过2000吨，并且每年仍以约10%的速度增长。

一般来说，每生产1m2线路板需消耗蚀刻液2-2.5L，相应的也产出蚀刻废液2-2.5L，PCB行业每年消耗精铜10万吨以上，而蚀刻废液中的铜含量在5万吨以上。

在我国工业实际生产过程中，蚀刻废液处理目前采用的普遍做法是，将蚀刻废液在各PCB生产厂家内采用密闭的储罐存储起来，送由外包的环保单位处理。

通常采用的废液处理方式为化学沉淀法、电解法和萃取法等，将蚀刻废液中的铜制备为硫酸铜、电解铜板或氧化铜粉等产品。

这些处理方法的产品附加价值低、经济性较差。

技术优势超临界水热合成反应是指在密闭的高压反应器中，以超临界水作为反应介质，使金属盐在水热介质中发生水解、脱水反应，进而成核、生长、最终形成具有一定粒度和结晶形态的纳米晶粒的反应。

由于反应介质为超临界水，反应过程在密闭的高压容器中进行，因而在反应过程中不会引入其它污染物，被认为是一种绿色环保的纳米制备技术。

连续式水热合成示范装置纳米铜产物TEM图采用超临界水热合成法处理含铜废液可使Cu2+的转化率达到99.8%以上，产物的平均粒径可达到10-20nm。

经检测分析表明产物全部为Cu，产品纯度可达到99.9%以上。

此外，处理后的废液可完全回用，实现废液零排放。

西安交通大学科技成果——高附加值高性能活性碳制备及超级电容器应用项目简介兰炭是以低变质煤为原料、在隔绝空气的情况下、采用低温干馏技术生产的一种固体产品。

它是一种较为硬而脆的煤种，在开采及运输的过程中会产生大量的焦末，其中粒度在3mm以下的兰炭焦末约占总量的10%左右，一般作为低级燃料处理或弃置于地头、河道，不仅浪费了资源、也对环境造成了污染。

我们的工作是将兰炭经过改性后加工制作成高品质活性碳材料，延长兰炭产业链，变废为宝。

它在超级电容器储能、水处理、海水淡化、催化剂载体和吸附等领域有广泛应用。

其中作为超级电容器电极材料应用较广。

超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的储能器件，其主要特征是大电流充放电优异、功率密度高、循环寿命超长（大于10万次）、应用温度范围广（-20-80度），非常适合作为高功率电源设备，如用于汽车启动电源、城市公交电源、重型机械高功率电源、动车能量回收装置和军事武器如激光炮等电源设备。

目前市场上的多孔碳材料主要是用椰壳等植物通过一次碳化和二次活化完成，工序较多，耗能大。

本项目采用一步活化便可将其转变成优质的多孔碳材料。

研究结果表明，兰炭基多孔材料容量大幅度提升，是未活化材料的4-6倍，5000次循环基本保持不变，最高容量在225F/g。

本团队通过对多孔碳进一步改性，容量进一步提升，最高容量可以达到280F/g，显示出很强的电荷储存能力。

兰炭粉末制备多孔碳的优势：（1）节能。

利用兰炭制备多孔碳只需要一步活化即可，相比于椰壳和生物质，通过“碳化+活化”过程，步骤少，操作简单，节约能源。

（2）生产过程中使用的活化剂可以重复使用，因此投入成本少。

（3）多孔碳的制备温度低，能耗低，制作成本低。

（4）制作的多孔碳比表面积大，做电容器电极容量高，做吸附剂则吸附能力强。

（5）现在市场上高品质活性碳的价格是100万元/吨，用兰炭制备的活性炭比表面积大，结构稳定，成本3-5万元/吨，因此利润巨大。

西安交通大学科技成果——利用超临界流体连续生产生物柴油和分离功能性成份项目简介脱臭馏出物（DOD）是油脂精炼过程中的副产物，富含脂肪酸（50-70%），甘油酯（10-25%），天然生育酚（5-10%），和甾醇（5-12%）和其他杂质。

我国是油脂生产大国，每年精炼能力近千万吨，产生60万吨DOD。

该技术一方面利用该油脂废料生产生物柴油和高附加值的生育酚和甾醇。

另一方面，因排放引起的环境污染可被有效降低；同时整个过程符合绿色无污染的现代化工要求。

性能优势超临界流体是介于气液之间的一种特殊的物态，其密度与液体相仿，与溶质分子的作用力强；而其粘度接近于气体，传质速率很高，可使反应，萃取等过程高效快速完成。

与传统溶剂萃取法比较，超临界CO2萃取无溶剂残留；萃取温度近于常温，不影响生物的活性；CO2循环使用，节省大量溶剂开支。

生物柴油（脂肪酸甲酯）是由脂肪酸，甘油酯分别与甲醇进行甲酯化和醇解反应制得，可部分替代化石燃料。

该技术利用该油脂废料生产生物柴油和高附加值的生育酚和甾醇。

生育酚又名维生素E、产妊酚，是一种油溶性的天然抗氧化剂，能维持生殖器官正常机能；甾醇具有免疫调节、抗肿瘤、清除自由基等功效。

市场前景及应用涉及的反应技术可推广应用于：生物质（Biomass）的连续超常反应处理与聚合物（Polymer）的连续超常解聚反应；涉及的分离技术可推广应用于：核工业废料处理或电子垃圾重金属回收；煤焦油，重质油馏分分离以及鱼油等天然制品的提取。

技术成熟度产业化已成功将这一技术产业化，并在产业化基础上进行了创新性改进和提高，首先在前处理（原料体系简化）过程中使用超临界甲醇替代常规催化剂转化生物柴油，新过程可连续进行，效率更高并且消除了常规催化剂所导致的环境污染隐患。

在后处理（生育酚浓缩过程）过程中采用萃取与萃馏联用方式，降低过程能耗，提高过程效率。

本项目先后获得武汉凯迪精细化工公司、日本熊本大学风险企业实验室（SVBL）、日本学术振兴会（JSPS）、21世纪COE项目资助（1999.09-2008.01）。